某磷石膏堆場邊坡穩定性分析

荊 瓏 劉國清 鄒建鋒

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

我國作為世界上第一大磷肥生產國，也是第一大磷石膏副產國。據不完全統計，目前國內堆存的磷石膏接近5億t，每年還要新增磷石膏產量約7 000萬t。磷石膏的堆存不僅制約行業發展，而且巨大的貯存量同時帶來巨大的安全隱患[1，2]。本工程采用濕法排渣、濕法堆存的方式堆存磷石膏，因而壩體內存在大量的酸性工藝水，通過對現場勘察并結合監測數據，初步分析底部導滲系統已經基本失效，堆積壩內浸潤線高度較高且離坡面較近，為了磷石膏堆場后期能夠繼續加高運行，需要對該堆場進行滲流穩定性分析。

1 工程概況

某磷石膏堆場地處戈壁荒灘，堆場長約1 000 m，寬約800 m，磷石膏堆積壩為東西走向，分為4個壩區，占地面積76.5萬m2，每年約堆存量為100萬t。一期設計堆積頂高程1 735 m，最大高度為35 m，總庫容約800萬m3。一期磷石膏庫采用濕排濕堆運行方式，并有完整的防滲系統、回水系統以及底部導滲系統。運行初期，利用初期土石壩和自然地形形成的初期庫容，直接在初期渣壩壩頂采用分散放漿的方式使磷石膏漿在壩前沉積，澄清水由庫內排水系統引至回水池。磷石膏子壩采用機械筑壩，庫區磷石膏上升至一定高度后，再于壩前重新筑子壩，如此反復使渣壩高度不斷抬升，目前已堆積至設計高程1 735 m。

2 磷石膏堆場滲流穩定分析

2.1 滲流分析

磷石膏堆積體內滲流狀態是控制堆積壩壩坡穩定性的決定性因素，通過滲流場的分析，可以模擬浸潤線和水位的變化情況，尋求有效的技術措施，保障磷石膏堆場的安全[3,4]。本分析計算在不影響滲流分析的結果的情況下對模型做以下簡化：

1)模型按穩定滲流考慮；

2)考慮到磷石膏堆場做了全庫區防滲，磷石膏、初期壩以及地基滲透系數k1遠大于防滲膜滲透系數k2(k1≥100k2)，可視防滲膜以下地基為不透水地基進行滲流計算，結合現場實驗數據，磷石膏滲透系數如表1所示。

表1 磷石膏堆場分層滲透系數

2.2 穩定性分析

磷石膏堆場總庫容約810萬m3，V<1 000萬m3；壩高H=35 m：H<60 m，根據AQ 2059—2016磷石膏庫安全技術規程，工程等別為Ⅳ等，場地所在地抗震設防烈度為7度，設計特征周期為0.45 s，設計基本地震加速度為0.15g，根據該工程地質勘察報告，土體物理力學參數如表2所示。

表2 磷石膏堆場巖土物理力學參數

1)計算方法。

磷石膏堆積壩坡抗滑穩定性計算采用極限平衡原理，根據AQ 2059—2016磷石膏庫安全技術規程規定，宜采用簡化畢肖普法[5]。

2)計算工況。

本次計算選擇1—1以及2—2剖面在洪水工況(水位1 734.8 m)、特殊工況(0.15g)進行分析計算，該斷面為堆積壩最大壩高斷面，可基本反映堆場整體邊坡穩定狀態。

3)邊坡滲流穩定分析。

利用Autobank v7.0軟件進行滲流穩定分析，計算結果如圖1～圖4以及表3所示，根據計算結果可以看出各剖面的壩坡抗滑穩定安全系數滿足規范要求，基本不會發生失穩破壞，但浸潤線距離坡面較近，不滿足規范規定的最小埋深要求，計算數據與實際監測數據基本一致，因此需增設坡面導滲系統，以降低堆積壩內浸潤線高度。

表3 堆積壩抗滑穩定安全系數表

3 改進措施

浸潤線對壩體穩定性的影響較大，當浸潤線位置較高時，磷石膏渣體物理力學指標驟降，嚴重影響壩體安全；同時根據AQ 2059—2016磷石膏庫安全技術規程要求，當堆積壩壩體高度超過30 m，堆積壩下游壩坡浸潤線的最小埋深應為2 m～4 m，尾礦庫的滲流控制措施必須確保浸潤線低于控制浸潤線。根據滲流穩定計算結果，需分別在1 715 m高程、1 730 m高程，圍繞堆積壩四周每隔25 m布置一根長30 m的DN75 HDPE水平排滲管，構成上、下兩層水平導滲系統，將壩體內部酸性孔隙水導排至匯水明渠，之后進入調節水池。坡面導滲系統的設置將大幅降低擋渣壩體內的浸潤線高度，避免產生壩坡面集中滲流或流土破壞，同時顯著提高壩體抗滑穩定安全系數，1—1剖面特殊工況下安全系數由1.11提高至1.56，2—2剖面特殊工況下安全系數由1.16提高至1.41，為磷石膏堆場后期安全穩定運行奠定了堅實的基礎，如圖5，圖6所示。

4 結論及建議

1)根據分析結果可知，目前磷石膏堆場邊坡抗滑穩定安全系數滿足規范要求，不會發生失穩破壞；

2)本工程浸潤線溢出點高度較高，并且距離坡面距離較近，浸潤線深度不滿足規范要求，增加坡面導滲系統后滿足規范要求；

3)施工期和正常運行期應保證庫區以及匯水明渠內排水通暢，并定期對堆積壩內浸潤線進行監測。